In Situ Synteza nanocząstek złota bez agregacji w przestrzeni międzywarstwowej warstwowych przezroczystych folii tytanianowych

Ogólnym celem niniejszego protokołu eksperymentalnego jest otrzymanie nowych rodzajów nanocząstek metali oraz hybryd półprzewodników z tlenków metali o unikalnych nanostrukturach. Metoda ta pozwala na wytwarzanie nowych typów nanostrukturalnych materiałów hybrydowych, nazywanych nanocząstkami metali i półprzewodnikami radialnymi, przeznaczonych do zastosowań w pigmentach, barwnikach, katalizatorach oraz fotokatalizatorach. Główną zaletą tej techniki jest możliwość uzyskania nanostrukturalnych hybryd charakteryzujących się dobrą przezroczystością oraz stabilnością nanocząstek metali.

Procedurę zaprezentuje Shiori Kawamura, doktorantka z Niigaty. Aby rozpocząć tę procedurę, należy wstępnie oczyścić szklaną podłoże poprzez obróbkę ultradźwiękową w myjce ultradźwiękowej zawierającej 1 M wodny roztwór wodorotlenku sodu przez 30 minut. Po zakończeniu procesu podłoże należy opłukać od 5 do 10 ml wody ultrapurej.

Zanurz podłoże szklane w 0,1 molarnym wodnym roztworze kwasu solnego. Po trzech minutach opłucz podłoże od pięciu do 10 mililitrów wody ultrapure. Następnie oczyść podłoże poprzez traktowanie ultradźwiękami w czystej wodzie przez jedną godzinę.

Po wypłukaniu czystą wodą, wysuszyć podłoże za pomocą suszarki do włosów przez dwie do trzech minut, aż będzie suche. Następnie nanieść wcześniej przygotowaną zawiesinę koloidalną TNS na podłoże szklane w aliquotach po 300 µL. Wysuszyć szklane podłoże w temperaturze 60 °C przez dwie godziny w suszarce laboratoryjnej, aby uzyskać odlaną warstwę TNS.

Aby uzyskać utrwalenie termiczne komponentów TNS na podłożu szklanym, wypalaj otrzymaną cienką warstwę TNS w temperaturze 500 °C przez trzy godziny w piecu. Po dwukrotnym powtórzeniu procesu wypalania, zanurz wypaloną warstwę TNS w 0,2 mM wodnym roztworze soli dichlorku metylowiologenu na siedem godzin w temperaturze pokojowej, w warunkach ciemności. Przepłucz otrzymaną próbkę od 5 do 10 ml ultra czystej wody i susz w ciemności przez około jedną godzinę w temperaturze 60 °C.

Następnie zanurz film z interkalowanym metylowiologenem w 25 milimolarnym wodnym roztworze kwasu tetrachlorozłotego na trzy godziny w temperaturze pokojowej w ciemności. Przepłucz otrzymane próbki od pięciu do 10 mililitrów wody ultrapure i susz w ciemności przez około jedną godzinę w temperaturze 60 stopni Celsjusza. Następnie zanurz film TNS z interkalowanym złotem w 0,1 molarnym wodnym roztworze borowodorku sodu na pół godziny w temperaturze pokojowej w ciemności.

Wysuszyć otrzymaną błonę w ciemności przez około jedną godzinę w temperaturze 60°C. Następnie zanurzyć wycentrowaną błonę TNS w 0,1 M wodnym roztworze chlorku 2-AET na 24 godziny w temperaturze pokojowej. Przepłukać otrzymaną błonę od 5 do 10 ml wody ultrapure i suszyć w ciemności przez około jedną godzinę w temperaturze 60°C.

Następnie zanurz film zawierający 2-AET w 25 milimolowej wodnym roztworze kwasu tetrachloroauronowego na trzy godziny w temperaturze pokojowej. Przepłucz otrzymany film od 5 do 10 mililitrów wody ultrapure i susz w ciemności przez około jedną godzinę w temperaturze 60 °C. Po tym kroku zanurz film złotej TNS z 2-AET w 0,1 molarnym wodnym roztworze borowodorku sodu na pół godziny w temperaturze pokojowej w ciemności.

Na koniec wypłucz otrzymaną błonę pięcioma do 10 ml wody ultrapure i susz w ciemności przez około jedną godzinę w temperaturze 60 °C. Adsorpcję złota w błonie TNS potwierdzono za pomocą analizy rentgenowskiej z dyspersją energii, która wykazała wyraźne sygnały tytanu i złota. Po namoczeniu błony TNS z metylowym wiologenem w kwasie tetrachloroaurowym dwa charakterystyczne sygnały XRD przesunęły się w stronę wyższych kątów, co sugeruje adsorpcję złota.

Film poddany działaniu borowodorku sodu wykazywał szerszy sygnał niż film z TNS złota, co sugeruje, że regularna struktura warstwowa uległa rozorganizowaniu w wyniku obróbki. Przezroczysty film z TNS z wbudowanym złotem zmienił barwę na metaliczny fiolet po zastosowaniu borowodorku, co wskazuje na powstanie zredukowanych nanocząstek złota. Sygnał D-002 filmu z centrowanym TNS stał się intensywny i wąski po obróbce 2-AET, co świadczy o uporządkowaniu struktur warstwowych i sugeruje, że cząsteczki 2-AET zostały wbudowane w warstwę TNS.

Analiza XRD wykazała, że sygnały D-00 uległy poszerzeniu po traktowaniu borowodorkiem sodu, co sugeruje rozregulowanie regularnych struktur warstwowych. Kolor filmu zmienił się z przezroczystego na czerwonawy, co wskazuje na tworzenie się nanocząstek złota. Po czterech miesiącach nie zaobserwowano zmian widmowych dla nanocząstek złota i warstwy TNS z 2-AET w atmosferze otoczenia, co wskazuje na stabilność nanocząstek złota w obecności tlenu.

Po opanowaniu tej techniki, w przypadku prawidłowego wykonania, można ją przeprowadzić w ciągu trzech dni. Podczas realizacji tej procedury ważne jest, aby wszystkie eksperymenty przeprowadzać w ciemności, aby uniknąć fotoreakcji TNS. Jednak w celu rejestracji filmu wykonaliśmy je w warunkach jasnego oświetlenia.

Ponadto nie należy przesuwać ani potrząsać płytką Petriego. Zgodnie z tą procedurą można przygotować inne nanocząstki metali, takie jak miedź i srebro, w celu otrzymania innych nanocząstek metali oraz hybryd półprzewodnikowych tlenków metali o strukturze radialnej. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom z dziedziny nanocząstek metali do eksploracji katalizatorów i fotokatalizatorów w chemii zrównoważonej.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo dobrze rozumieć sposób syntezy nanocząsteczek metali oraz radialnych hybryd półprzewodnikowych. Należy pamiętać, że praca z borowodorkiem sodu może być niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury zawsze należy zachować środki ostrożności, takie jak noszenie okularów ochronnych i rękawiczek.